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中點(diǎn)箝位型三電平變換器SFOPWM方法的研究

時(shí)間:2023-02-20 22:38:27 電子通信論文 我要投稿
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中點(diǎn)箝位型三電平變換器SFOPWM方法的研究

  摘要:介紹了中點(diǎn)箝位型三電平變換器中的一種典型載波PWM方法——開關(guān)頻率優(yōu)化PWM(SFOPWM),這種方法由于注入零序的三次三角波,調(diào)制比最大可以達(dá)到1.15;另外通過適當(dāng)選擇載波和調(diào)制波之間的相移可以減少開關(guān)次數(shù)。仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了該方法的特點(diǎn)。
  關(guān)鍵詞:中點(diǎn)箝位型三電平變換器;開關(guān)頻率最優(yōu)化脈寬調(diào)制
  
  1概述
  
  二極管中點(diǎn)箝位型三電平變換器[1]如圖1所示。由于二極管的箝位,這種變換器中每個(gè)功率開關(guān)管承受的最大電壓為直流側(cè)電壓的一半,從而降低了開關(guān)過程的dv/dt,因此可以用低成本的低壓器件實(shí)現(xiàn)中高容量的變換;另外,由于輸出電壓有三種電平,其諧波水平明顯低于二電平變換器,因此可以簡(jiǎn)化輸出濾波器的設(shè)計(jì)和降低EMI問題;最后這種變換器在實(shí)現(xiàn)中高容量的變換時(shí)沒有工頻變壓器,節(jié)省了裝置的體積,提高了系統(tǒng)的效率。因此,這種結(jié)構(gòu)的變換器在高電壓大功率的變頻調(diào)速、有源電力濾波裝置、高壓直流(HVDC)輸電系統(tǒng)和電力系統(tǒng)無功補(bǔ)償?shù)确矫嬗兄鴱V泛的應(yīng)用前景。
  
  本文從控制自由度的角度介紹了SFOPWM方法,這種方法由于在正弦調(diào)制波中注入零序三次分量,從而使電壓利用率提高到1.15;另外,合理選擇載波同調(diào)制波之間的相移可以減少開關(guān)次數(shù)。最后用MATLAB的SIMULINK工具仿真研究了SFOPWM的特性,實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了SFOPWM方法的特點(diǎn)。
  
  圖1
  
  2SFOPWM技術(shù)
  
  三電平逆變器載波技術(shù),來源于兩電平的SPWM技術(shù),但是,由于三電平逆變器特殊的結(jié)構(gòu),三電平的載波技術(shù)又不同于兩電平的載波技術(shù)。三電平逆變器中的開關(guān)管多,因此三電平逆變器的載波和調(diào)制波都可能不止一個(gè),而且每一個(gè)載波和調(diào)制波都有多個(gè)控制自由度;這些載波和調(diào)制波的控制自由度至少有頻率、幅值和調(diào)制波和載波之間的偏移量等。這些自由度的不同組合,將會(huì)產(chǎn)生多種載波PWM技術(shù)。其中最具代表性的有3種:分諧波PWM、開關(guān)頻率優(yōu)化PWM、三角載波移相PWM。而中點(diǎn)箝位型中最經(jīng)常用到的就是分諧波PWM、開關(guān)頻率優(yōu)化PWM。開關(guān)頻率最優(yōu)化PWM方法因?yàn)槠潆妷豪寐矢,開關(guān)頻率優(yōu)化等原因而得到了實(shí)際的應(yīng)用。
  
  三電平分諧波PWM方法是兩電平正弦波調(diào)制在多電平領(lǐng)域的一個(gè)擴(kuò)展。載波是n個(gè)具有同相位、同頻率fc、相同的峰峰值A(chǔ)c,且對(duì)稱分布的三角波,參考信號(hào)是一個(gè)峰峰值為Am,頻率為fm正弦信號(hào)。在三角載波和正弦波相交的時(shí)刻,如果正弦波的值大于載波的值,則開通相應(yīng)的開關(guān)器件,否則相反。開關(guān)頻率最優(yōu)化的方法是由Steinke[2]提出的。這種方法是在分諧波基礎(chǔ)之上增加了一個(gè)注入諧波的自由度而來的。它注入的是零序分量vzero和調(diào)制波的表達(dá)式如式(1)—式(4)所示:
  
  
  
  式中:va=masin(2πfm+Φ);
  
  
  
  ma為幅度調(diào)制比。
  
  這種方法的原理如圖2所示。這種控制方法的最大調(diào)制比可以達(dá)到1.15,由于每相的調(diào)制波都注入諧波,因此它只能用于三相系統(tǒng)中。
  
  3載波和調(diào)制波相移角Φ對(duì)開關(guān)次數(shù)的影響
  
  TolbertLeonM研究了載波和調(diào)制波相移角同頻率調(diào)制比mf之間的關(guān)系,得出了關(guān)于相移角對(duì)開關(guān)次數(shù)影響的三條規(guī)律[3]:
  
  1)如果頻率調(diào)制比mf為16的倍數(shù)的時(shí)候,載波和調(diào)制波之間的相移對(duì)一個(gè)周期內(nèi)總的開關(guān)次數(shù)沒有影響,即開關(guān)次數(shù)不受Φ的影響;
  
  2)如果載波頻率mf是偶數(shù)的時(shí)候,一個(gè)調(diào)制周期內(nèi),最大的開關(guān)次數(shù)是2mf。開關(guān)次數(shù)Nsw=2mf-2j(其中j=0,1,2,3,j的具體值取決于mf);
  
  3)如果載波頻率mf是奇數(shù)的時(shí)候,一個(gè)調(diào)制周期內(nèi),開關(guān)的最大次數(shù)是可以大于2mf,開關(guān)次數(shù)Nsw=2mf-2j(其中j=0,±1,±2,
  
  
  
  j的具體值取決于mf)。
  
  通過適當(dāng)選擇頻率調(diào)制比、幅度調(diào)制比和相移角,則開關(guān)次數(shù)可以減少35%。
  
  4仿真研究
  
  為了研究SFOPWM方法注入的零序分量特點(diǎn)和SFOPWM方法的特性,建立了主電路結(jié)構(gòu)同圖1的仿真模型。圖3是幅度調(diào)制比ma=0.9和1.1時(shí)候的調(diào)制波和注入的零序分量。從圖3可以看出,SFOPWM方法的調(diào)制波是3次三角波,其幅值與調(diào)制比ma有關(guān)系。圖4是開關(guān)頻率fc=10kHz時(shí)輸出的相電壓、線電壓波形。
  
  5實(shí)驗(yàn)結(jié)果
  
  為了驗(yàn)證仿真結(jié)果和SFOPWM的特點(diǎn),建立了實(shí)驗(yàn)?zāi)P,其中開關(guān)管采用IRF840,二極管采用MUR860,開關(guān)頻率為10kHz。圖5是幅度調(diào)制輸出的相電壓、線電壓波形,圖6是經(jīng)過簡(jiǎn)單LC濾波后的波形(其中濾波電感L=1mH,濾波電容C=1μF)。
  
  6結(jié)語(yǔ)
  
  開關(guān)頻率最優(yōu)化(SFOPWM)方法由于注入零序的三次三角波,調(diào)制比最大可以達(dá)到1.15;另外通過適當(dāng)選擇載波和調(diào)制波之間的相移可以減少開關(guān)次數(shù),從而減少開關(guān)損耗。實(shí)驗(yàn)和仿真結(jié)果都驗(yàn)證了SFOPWM方法的特點(diǎn)。中點(diǎn)箝位型三電平特殊結(jié)構(gòu),為PWM控制方法提供了更多的自由度,SFOPWM方法只是其中之一,研究這些自由度可以獲得工作特性更好的PWM方法。
  
  
  
  

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